KR101453082B1 - 교류 구동형 양자점 전계발광소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 양자점 발광층을 포함하는 교류 구동형 양자점 전계발광소자에 있어서, 상기 양자점 발광층과 전극 사이에 터널링층, 바이폴라층, 유전체층 및 절연층 중 하나의 층 또는 이들의 임의의 복합층을 포함하는 교류 구동형 양자점 전계발광소자에 관한 것으로, 본 발명에 의한 교류 구동형 양자점 전계발광소자는 전자 및 정공을 효과적으로 발광층으로 주입시킬 수 있으며, 일단 주입된 전자 및 정공들이 다시 전극 쪽으로 역이동(back-transport)되지 않도록 함으로써, 발광층에서 형성된 엑시톤(exciton)들의 퀀칭(quenching) 현상을 방지하여 저전압, 고효율의 특성을 갖는 발광 소자를 제공할 수 있다.
양자점, 전계발광소자, 터널링층, 바이폴라층, 절연층, 유전체층

Description

교류 구동형 양자점 전계발광소자{ALTERNATING CURRENT DRIVING TYPE QUANTUM DOT ELECTROLUMINESCENCE DEVICE}
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 교류 구동형 양자점 전계발광소자의 단면 개략도,
도 2는 본 발명의 제 1 구현예에 의한 교류 구동형 양자점 전계발광소자의 단면 개략도,
도 3은 본 발명의 제 2 구현예에 의한 교류 구동형 양자점 전계발광소자의 단면 개략도,
도 4는 본 발명의 제 3 구현예에 의한 교류 구동형 양자점 전계발광소자의 단면 개략도,
도 5는 본 발명의 제 4 구현예에 의한 교류 구동형 양자점 전계발광소자의 단면 개략도,
도 6은 본 발명의 제 5 구현예에 의한 교류 구동형 양자점 전계발광소자의 단면 개략도,
도 7은 본 발명의 제 6 구현예에 의한 교류 구동형 양자점 전계발광소자의 단면 개략도,
도 8은 본 발명의 제 7 구현예에 의한 교류 구동형 양자점 전계발광소자의 단면 개략도,
도 9는 본 발명의 제 8 구현예에 의한 교류 구동형 양자점 전계발광소자의 단면 개략도,
도 10은 본 발명의 제 9 구현예에 의한 교류 구동형 양자점 전계발광소자의 단면 개략도,
도 11은 본 발명의 제 10 구현예에 의한 교류 구동형 양자점 전계발광소자의 단면 개략도,
도 12는 본 발명의 제 11 구현예에 의한 교류 구동형 양자점 전계발광소자의 단면 개략도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 제 1 전극 2: 제 2 전극
3: 양자점 발광층 4: 절연층
5, 5': 터널링층 6, 6': 바이폴라층
7, 7': 유전체층 8, 8': 제 1 바이폴라층
9, 9': 제 2 바이폴라층
10: 터널링층, 바이폴라층, 유전체층 및 절연층 중 하나의 층 또는 이들의 임의의 복합층을 포함하는 층
30: 절연매트릭스 내 양자점이 임베디드(embedded)된 양자점 발광층
본 발명은 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 양자점 발광층을 포함하는 교류 구동형 양자점 전계발광소자에 있어서, 상기 양자점 발광층과 전극 사이에 터널링층, 바이폴라층, 유전체층 및 절연층 중 하나의 층 또는 이들의 임의의 복합층을 포함하는 저전압, 고효율의 특성을 갖는 교류 구동형 양자점 전계발광소자에 관한 것이다.
전계발광소자(Electroluminescence Device)는 물질에 전계를 가하였을 경우 빛을 내는 현상을 이용한 소자로서, 발광층으로 주입된 전자와 정공이 재결합(recombination)하여 엑시톤(exciton)을 형성하고 이것이 발광하게 되는데, 최근에는 양자점을 발광층으로 사용한 소자가 많이 개발되고 있다.
양자점(quantum dot)은 나노 크기의 반도체 물질로서 양자 제한(quantum confinement) 효과를 나타내는데, 이러한 양자점은 여기원(excitation source)으로부터 빛을 받아 에너지 여기 상태에 이르면, 에너지 밴드갭(band gap)에 따른 에너지를 방출하게 된다. 따라서 양자점의 크기 조절을 통해서 전기적, 광학적 특성을 조절할 수 있으므로 양자점은 수광소자, 발광소자 등 다양한 소자에 응용되고 있다.
한국특허공개 제2006-0100151호는 고분자와 결합한 양자점 발광소자에 관한 것으로, 전극 사이에 형성된 절연성 고분자 내에 양자점 활성층을 포함하는 구조로 서 교류 전력을 사용하여 작동된다고 개시하고 있다. 미국특허공개 제2006/0170331호는 양자점 발광소자에 관한 것으로, 전극 사이에 압축된 양자점 발광층 또는 작은 충진 물질(filler material)이 존재하고 높은 온도 하에서 압축을 통해 발광층을 형성하고 교류 구동으로 소자를 발광시킨다고 개시하고 있다.
그러나 상기 종래 기술들은 양자점 발광층이 직접 전극에 맞닿아 있는 구조로서, 양자점 발광층에서 생성된 엑시톤(exciton)이 전극을 통해서 쉽게 빠져 나가므로, 발광층에서 형성된 엑시톤들이 퀀칭되어 발광이 효율적으로 일어나지 않는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로,
본 발명의 하나의 목적은 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 양자점 발광층을 포함하는 교류 구동형 양자점 전계발광소자에 있어서, 상기 양자점 발광층과 전극 사이에 터널링층, 바이폴라층, 유전체층 및 절연층 중 하나의 층 또는 이들의 임의의 복합층을 포함하는 신규한 구조로 전자 및 정공을 효과적으로 발광층으로 주입하고, 형성된 엑시톤(exciton)들이 전극에서 퀀칭(quenching)을 일으키지 않아 저전압, 고효율의 특성을 갖는 교류 구동형 양자점 전계발광소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 교류 구동형 양자점 전계발광소자를 채용한 디스플레이 장치, 조명 장치, 백라이트 유닛 및 면발광 소자 등의 전자소자를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 양자점 발광층을 포함하는 양자점 전계발광소자에 있어서, 상기 제 1 전극과 양자점 발광층 사이 및/또는 제 2 전극과 양자점 발광층 사이에 터널링층, 바이폴라층, 유전체층 및 절연층 중 하나의 층 또는 이들의 임의의 복합층을 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 구동형 양자점 전계발광소자에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 양상은 상기 교류 구동형 양자점 전계발광소자를 채용한 디스플레이 장치, 조명 장치, 백라이트 유닛 및 면발광 소자 등의 전자소자에 관한 것이다.
이하에서 첨부 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 하나의 양상인 교류 구동형 양자점 전계발광소자는 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 양자점 발광층을 포함하는 양자점 전계발광소자에 있어서, 상기 제 1 전극과 양자점 발광층 사이 및/또는 제 2 전극과 양자점 발광층 사이에 터널링층, 바이폴라층, 유전체층 및 절연층 중 하나의 층 또는 이들의 임의의 복합층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 의한 교류 구동형 양자점 전계발광소자의 대표도이다. 도 1을 참고하면, 본 발명의 교류 구동형 양자점 전계발광소자는 제 1 전극(1)과 제 2 전극(2) 사이에 양자점 발광층(3)을 포함하는 양자점 전계발광소자에 있어서, 상기 제 1 전극(1)과 양자점 발광층(3) 사이 및/또는 제 2 전극(2)과 양자점 발광층(3) 사이에 터널링층, 바이폴라층, 유전체층 및 절연층 중 하나의 층 또는 이들의 임의의 복합층을 포함하는 층(10)을 포함한다.
또한, 본 발명에 의한 교류 구동형 양자점 전계발광소자는, 도 2 내지 6에 도시된 바와 같이, 상기 양자점 발광층(3)과 제 1 전극(1) 사이 및 상기 양자점 발광층(3)과 제 2 전극(2) 사이 중 어느 하나에 절연층(4)을 포함할 수 있다.
상기 제 1 전극(1) 또는 제 2 전극(2)의 소재는 전자 또는 정공 주입이 용이한 물질로서 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 또는 FTO와 같은 투명 전극이나, Al, Au, Ag, In, Sn, Mg, Ca, Pt, Ba 또는 Ni와 같은 금속 전극으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나, 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.
본 발명의 교류 구동형 양자점 전계발광소자의 양자점 발광층(3)은 양자점을 발광 재료로 사용하여 형광체를 사용한 종래의 무기전계발광소자보다 양자점 자체의 발광 효율 및 색순도 면에서 우수함을 특징으로 한다. 또한, 종래의 무기전계발광소자의 형광체는 크기가 수백 nm 내지 수십 mm에 이를 정도로 크기 분포가 불균일하나, 양자점은 nm의 크기(약 5 nm)의 입자로서 발광층의 두께를 종래의 형광체층보다 1000배 이하로 줄일 수 있어 소자의 구동전압을 낮출 수 있다.
본 발명에 의한 교류 구동형 양자점 전계발광소자에 적층되는 상기 양자점 발광층(3)은, II-VI족 화합물 반도체 나노결정, III-V족 화합물 반도체 나노결정, IV-VI족 화합물 반도체 나노결정, IV족 화합물 반도체 나노결정 또는 이들의 혼합 물 등을 사용할 수 있으나, 반드시 이들로 국한되는 것은 아니다.
상기 II-VI족 화합물 반도체 나노결정은 CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe 또는 ZnTe 등과 같은 이원소 화합물; CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS, ZnSeTe, ZnSTe, CdZnS, CdZnSe 또는 CdZnTe 등과 같은 삼원소 화합물; CdZnSeS, CdZnSeTe, CdZnSTe, CdHgSeS, CdHgSeTe, CdHgSTe, HgZnSeS, HgZnSeTe 또는 HgZnSTe 등과 같은 사원소 화합물이 사용될 수 있으나, 반드시 이들로 국한되는 것은 아니다.
또한, 상기 III-V족 화합물 반도체 나노결정은 GaN, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs 또는 InSb 등과 같은 이원소 화합물; GaNP, GaNAs, GaNSb, GaPAs, GaPSb, InNP, InNAs, InNSb, InPAs, InPSb 또는 GaAlNP 등과 같은 삼원소 화합물; GaAlNAs, GaAlNSb, GaAlPAs, GaAlPSb, GaInNP, GaInNAs, GaInNSb, GaInPAs, GaInPSb, InAlNP, InAlNAs, InAlNSb, InAlPAs 또는 InAlPSb 등과 같은 사원소 화합물이 사용될 수 있으나, 반드시 이들로 국한되는 것은 아니다.
한편, 상기 IV-VI족 화합물 반도체 나노결정은 PbS, PbSe 또는 PbTe 등과 같은 이원소 화합물; PbSeS, PbSeTe, PbSTe, SnPbS, SnPbSe 또는 SnPbTe 등과 같은 삼원소 화합물; SnPbSSe, SnPbSeTe 또는 SnPbSTe 등과 같은 사원소 화합물이 사용될 수 있고, 상기 IV족 화합물 반도체 나노결정의 소재로는 Si, Ge 등과 같은 단일 원소 화합물; SiC, SiGe 등과 같은 이원소 화합물이 사용될 수 있으나, 반드시 이들로 국한되는 것은 아니다.
본 발명에서 바람직한 양자점 발광층(3)의 두께는 3 내지 100 nm이나, 이에 국한되는 것은 아니다.
본 발명의 제 1 구현예의 교류 구동형 양자점 전계발광소자는, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 양자점 발광층(3)과 제 1 전극(1) 사이에 절연층(4)을 포함하고, 양자점 발광층(3)과 제 2 전극(2) 사이에 터널링층(5)을 포함한다.
이러한 교류 구동형 양자점 전계발광소자의 제 1 전극(1) 및 제 2 전극(2) 사이에 전압을 인가하면 절연층(4)으로는 전자 또는 정공이 이동하지 않지만 터널링층(5) 양단에 생성된 전기장에 의해 전자(또는 정공)가 제 2 전극(2)으로부터 양자점 발광층(3)으로 주입되고, 일단 주입된 전자(또는 정공)는 터널링층(5)에 의해 제 2 전극(2)으로의 역이동(back-transport)이 차단되어 양자점 발광층(3) 또는 양자점 발광층(3) 및 터널링층(5)의 계면에 남아있게 된다. 교류 구동에 의해 반대 캐리어인 정공(또는 전자)이 주입되면 기존의 전자(또는 정공)와 재결합에 의해 엑시톤을 형성하게 되고 양자점 발광층(3)의 밴드갭에 해당하는 빛을 내어 발광이 이루어진다. 이러한 구조에서의 발광의 세기는 전극 양단에 가해지는 전압과 교류 주파수(AC frequency)에 의해 조절 가능하다.
이러한 제 1 구현예의 교류 구동형 양자점 전계발광소자는 특별히 제한되지는 않으나 일례로 다음과 같은 방법으로 제조할 수 있다.
제 1전극(1)인 전도성 물질이 코팅된 기판 위에 전자빔 증착법(e-beam evaporation)으로 금속 산화물과 같은 절연성 물질의 박막을 증착하여 절연층(4)을 형성한다. 이어서 CdSe/ZnS 등과 같은 반도체 나노결정을 스핀코팅하여 양자점 발광층(3)을 형성한다. 상기 양자점 발광층(3) 상부에 전자빔 증착법으로 MgO 등과 같은 물질을 증착하거나 스핀 코팅 방법으로 폴리메탈메타크릴레이트(PMMA)와 같은 폴리머를 코팅하여 터널링층(5)을 형성한 다음, 상기 터널링층(5) 상부에 알루미늄 등과 같은 금속으로 제 2 전극(2)을 증착하여 교류 구동형 양자점 전계발광소자를 제조할 수 있다.
이 때, 상기 터널링층(5)은 스핀코팅, 스프레이 코팅, 딥코팅, 캐스팅 또는 프린팅 등의 액상법에 의해 형성할 수 있으나, 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 이와 같이, 액상법으로 스핀 코팅을 하기 위해서는 양자점 발광층(3)을 히드라진(hydrazine), 디티올(dithiol) 또는 디아민(diamine)과 같은 가교제(cross-linking agent)를 이용하여 가교시키는 단계를 거칠 수 있다.
본 발명에 의한 교류 구동형 양자점 전계발광소자에 적층되는 상기 절연층(4)은 절연물질로 사용될 수 있는 물질이면 제한 없이 사용될 수 있으나, 바람직하게는 무기 절연물질로는 SiO2, LiF, BaF2 , TiO2, ZnO, SiC, SnO2, WO3, ZrO2, HfO2, Ta2O5, BaTiO3, BaZrO3, Al2O3, Y2O3, ZrSiO4, Si3N4, TiN 및 이들의 혼합물 등이 사용될 수 있으나, 이에 국한 되는 것은 아니다.
또한, 상기 절연층(4)은 유기 절연물질로 구성될 수 있는데, 이러한 유기 절연물질로는 에폭시수지, 페놀수지를 포함하는 폴리머, 3-(4-바이페닐일)-4-페닐-5-터셔리-부틸페닐-1,2,4-트리아졸(TAZ), 3,4,5-트리페닐-1,2,4-트리아졸,3,5-비스(4-터셔리-부틸페닐)-4-페닐-1,2,4-트리아졸 및 아라키딘산(arachidic acid), 스테아린산을 포함하는 지방산 단량체 및 이들의 혼합물 등이 사용될 수 있으나, 이에 국한되는 것은 아니다.
상기 절연층(4)의 두께는 10 내지 500 nm인 것이 바람직한데, 상기 절연층이 10 nm 미만인 경우는 전자나 정공의 이동을 차단하는 배리어의 역할을 하지 못하고 500 nm 초과인 경우에는 전체 소자의 두께가 두꺼워져 저전압의 효율을 달성할 수 없기 때문이다.
또한, 본 발명에 의한 교류 구동형 양자점 전계발광소자에 적층되는 상기 터널링층(5)은 SiO2, MgO, HfO2와 같은 무기 절연물질 또는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)와 같은 폴리머로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나, 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.
상기 상기 터널링층(5)의 두께는 1 내지 10 nm인 것이 바람직한데, 상기 터널링층이 1 nm 미만인 경우에는 내부에 주입된 전자 또는 정공들의 역이동 또는 엑시톤의 퀀칭 현상이 발생할 수 있고, 10 nm 초과인 경우에는 전자나 정공이 직접 이동하는 터널링 효과가 발생할 수 없기 때문이다.
본 발명의 제 2 구현예의 교류 구동형 양자점 전계발광소자는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 양자점 발광층(3)과 제 1 전극(1) 사이에 절연층(4)을 포함하고, 양자점 발광층(3)과 제 2 전극(2) 사이에 바이폴라층(6)을 포함한다.
상기 바이폴라층(6)을 통해서는 전자와 정공의 이동이 모두 가능하므로, 전압을 인가하면 전자와 정공이 제 2 전극(2)으로부터 양자점 발광층(3)으로 주입되고, 교류 전원에 의해 반대 전하가 주입될 경우 엑시톤을 형성하여 발광이 일어나게 된다.
이러한 구현예의 교류 구동형 양자점 전계발광소자는 특별히 제한되지는 않으나 일례로 다음과 같은 방법으로 제조할 수 있다.
제 1 구현예에서와 같은 방법으로, 제 1 전극(1) 상에 절연층(4)을 형성하고, 그 위에 양자점 발광층(3)을 형성한 다음, 상기 양자점 발광층(3) 상부에 구리 프탈로시아닌(copper phthalocyanine) 등과 같은 물질을 열증착법(thermal evaporation)으로 증착하거나 또는 폴리아닐린 등과 같은 폴리머를 스핀 코팅 방법에 의해 코팅하여 바이폴라층(6)을 형성한다. 그런 다음, 상기 바이폴라층(6) 상부에 알루미늄 등과 같은 금속으로 제 2 전극(2)을 증착하여 교류 구동형 양자점 전계발광소자를 제조할 수 있다.
본 발명에 의한 교류 구동형 양자점 전계발광소자에 적층되는 상기 바이폴라층(6)은 구리 프탈로시아닌(copper phthalocyanine)과 같은 앰바이폴라 모노머(ambipolar monomer), 폴리아닐린(polyaniline)과 같은 폴리머, 무기 필름(inorganic film), p-n 접합(p-n alloy) 또는 p-n 혼합 필름(p-n mixed film) 등으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나, 이에 국한되는 것은 아니다.
본 발명의 제 3 구현예의 교류 구동형 양자점 전계발광소자는, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 양자점 발광층(3)과 제 1 전극(1) 사이에 절연층(4)을 포함하고, 양자점 발광층(3)과 제 2 전극(2) 사이에 유전체층(7)을 포함한다.
상기와 같이, 유전체층(7)을 형성한 구조는 예를 들어, 전극에 전압(+)을 가하면 유전체층(7)의 다이폴(dipole)들이 전기장의 방향으로 배열하게 되고, 전극 반대편에는 유기된 다이폴들에 의해 "+" 전하로 하전된다. 이렇게 유기된 "+" 입자 들은 강한 전기장 내에서 표면으로부터 나와 양자점 발광층(3)으로 주입이 이루어지게 되는데, 이는 외부에서 캐리어를 직접 주입하는 방식이 아니라 유전체층(7)으로부터 유기된 캐리어들에 의해 주입이 가능해지는 것이다. 상기와 같이, 주입된 전자 또는 정공들은 교류 전원으로서 반대 전압을 가할 경우 유전체층(7) 표면으로부터 유기된 반대 전하들과 만나 엑시톤을 형성함으로써 발광이 이루어지게 된다.
이러한 구현예의 교류 구동형 양자점 전계발광소자는, 특별히 제한되지는 않으나 일례로 다음과 같은 방법으로 제조할 수 있다.
제 1 구현예에서와 같은 방법으로, 제 1 전극(1) 상에 절연층(4)을 형성하고, 그 위에 양자점 발광층(3)을 형성한 다음, 상기 양자점 발광층(3) 상부에 Ta2O5 등과 같은 물질을 전자빔 증착법으로 증착하거나 또는 TiO2 졸-겔 전구체(TiO2 sol-gel precursor) 등과 같은 물질을 사용하여 스핀 코팅한 후, 어닐링하여 유전체층(7)을 형성한다. 그런 다음, 상기 유전체층(7) 상부에 알루미늄 등과 같은 금속으로 제 2 전극(2)을 증착하여 교류 구동형 양자점 전계발광소자를 제조할 수 있다.
본 발명에 의한 교류 구동형 양자점 전계발광소자에 적층되는 상기 유전체층(7)은 Ta2O5, TiO2, Al2O3 및 Y2O3로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나, 이에 국한되는 것은 아니다.
본 발명의 제 4 구현예의 교류 구동형 양자점 전계발광소자는, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 양자점 발광층(3)과 제 1 전극(1) 사이에 절연층(4)을 포함하고, 양자점 발광층(3)과 제 2 전극(2) 사이에 터널링층(5) 및 바이폴라층(6)을 포함하고, 여기서 터널링층(5)은 양자점 발광층(3)과 인접하게 적층된다.
상기와 같이, 바이폴라층(6)의 안쪽에 터널링층(5)을 적층하여 준 경우는 일단 복합 구조를 통해서 주입이 이루어진 전자 또는 정공들이 터널링층(5)을 관통하여 역이동(back-transport)되는 현상을 줄일 수 있어 소자의 효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 터널링층(5)은 양자점 발광층(3)과 제 2 전극(2)을 효과적으로 분리시키므로 엑시톤의 퀀칭(quenching) 현상을 방지하여 발광효율을 높일 수 있는 것이다.
본 발명의 제 5 구현예의 교류 구동형 양자점 전계발광소자는, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 양자점 발광층(3)과 제 1 전극(1) 사이에 절연층(4)을 포함하고, 양자점 발광층(3)과 제 2 전극(2) 사이에 서로 다른 밴드갭을 갖는 제 1 바이폴라층(8) 및 제 2 바이폴라층(9)을 포함하는데, 여기서 밴드갭이 큰 제 1 바이폴라층(8)은 양자점 발광층(3)과 인접하게 적층된다.
이러한 구현예의 교류 구동형 양자점 전계발광소자는 특별히 제한되지는 않으나 일례로, 다음과 같은 방법으로 제조할 수 있다.
제 1 구현예에서와 같은 방법으로, 제 1 전극(1) 상에 절연층(4)을 형성하고, 그 위에 양자점 발광층(3)을 형성한 다음, 상기 양자점 발광층(3) 상부에 ZnS/CdS 등과 같은 물질로 박막을 증착할 때 약간의 p-도핑을 하여 바이폴라성을 갖게 만든 이중층, 즉 제 1 바이폴라층(8) 및 제 2 바이폴라층(9)을 CVD나 전자빔 증착법과 같은 증착법으로 형성할 수 있다. 이어서, 알루미늄과 같은 금속으로 제 2 전극(2)을 증착하여 교류 구동형 양자점 전계발광소자를 제조할 수 있다.
상기 제 1 바이폴라층(8)/제 2 바이폴라층(9)의 소재는 밴드갭이 상대적으로 큰 물질/밴드갭이 상대적으로 작은 물질로 구성되는데, 즉, 펜타센/MoO3, 폴리아닐린/구리 프탈로시아닌으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나, 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.
상기와 같이, 이중층의 바이폴라층 구조를 갖는 본 발명에 의한 교류 구동형 양자점 전계발광소자는 제 1 바이폴라층(8)의 가전자대(valence band, VB1)는 제 2 바이폴라층(9)의 가전자대(VB2)보다 작고, 제 1 바이폴라층(8)의 전도대(conduction band, CB1)는 제 2 바이폴라층(9)의 전도대(CB2)보다 커서 밴드갭의 차이가 순차적으로 배열된다.
이 때, 전자나 정공의 주입은 계단식으로 이루어진 바이폴라층의 에너지 레벨을 따라 순차적으로 쉽게 이루어지지만 양자점 발광층(3)으로 주입된 전자들은 발광층 쪽에 인접한 제 1 바이폴라층(8)의 높은 에너지 배리어에 막히게 됨으로써 전하의 역이동이 방지되어 발광 효율의 증대를 가져오게 된다.
본 발명의 제 6 구현예의 교류 구동형 양자점 전계발광소자는, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 양자점 발광층(3)과 제 1 전극(1) 사이 및 상기 양자점 발광층(3)과 제 2 전극(2) 사이에 각각 터널링층(5, 5')을 포함한다.
이 경우 소자의 양단에서 동시에 전자 및 정공의 주입이 가능한 바, 일회의 구동으로 더 많은 수의 전자 및 정공의 주입이 이루어져 소자의 효율 및 전력 효율의 향상을 가져올 수 있다.
본 발명의 제 7 구현예의 교류 구동형 양자점 전계발광소자는, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 양자점 발광층(3)과 제 1 전극(1) 사이 및 상기 양자점 발광층(3)과 제 2 전극(2) 사이에 각각 바이폴라층(6, 6')을 포함한다.
상기와 같이, 소자의 양단에서 동시에 전자 및 정공의 주입이 가능할 뿐 아니라, 두꺼운 절연층을 사용하지 않음으로써 전자 및 정공의 주입에 필요한 전압이 작아져서 젼력 효율의 증대를 가져온다.
본 발명의 제 8 구현예의 교류 구동형 양자점 전계발광소자는, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 양자점 발광층(3)과 제 1 전극(1) 사이 및 상기 양자점 발광층(3)과 제 2 전극(2) 사이에 각각 유전체층(7, 7')을 포함한다.
이 경우 소자의 양단에서 동시에 전하의 유기가 가능하므로, 소자의 발광 효율이 향상된다.
본 발명의 제 9 구현예의 교류 구동형 양자점 전계발광소자는, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 양자점 발광층(3)과 제 1 전극(1) 사이 및 상기 양자점 발광층(3)과 제 2 전극(2) 사이에 터널링층(5, 5') 및 바이폴라층(6, 6')을 포함하고, 여기서 터널링층(5, 5')은 양자점 발광층(3)과 인접하게 적층된다.
이는 소자의 양단에서 동시에 전자 및 정공의 주입이 가능하여 소자의 효율이 증대될 뿐 아니라, 양자점 발광층(3) 가까이에 적층된 터널링층(5, 5')에 의해 엑시톤의 퀀칭 현상을 방지함으로써 발광 효율이 증대될 수 있다.
본 발명의 제 10 구현예의 교류 구동형 양자점 전계발광소자는, 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 양자점 발광층(3)과 제 1 전극(1) 사이 및 상기 양자점 발광층(3)과 제 2 전극(2) 사이에 서로 다른 밴드갭을 갖는 제 1 바이폴라층(8, 8') 및 제 2 바이폴라층(9, 9')을 포함하고, 여기서 밴드갭이 큰 제 1 바이폴라층(8, 8')은 양자점 발광층(3)과 인접하게 적층된다.
이는 밴드갭의 차이가 큰 물질로 된 제 1 바이폴라층(8, 8')의 높은 에너지 배리어에 막혀 전자 및 정공의 역이동을 줄여 주고 구동 전압을 낮추는 효과가 있어 발광 효율과 전력 효율의 증대를 가져오게 된다.
본 발명의 제 11 구현예의 교류 구동형 양자점 전계발광소자는, 도 12에 도시된 바와 같이, 양자점 발광층(30)이 절연 매트릭스 내에 양자점이 임베디드(embedded)된 형태로서 존재한다.
즉, 선택적으로 발광층은 양자점 단일 물질만이 아닌 유, 무기 절연 매트릭스 내에 양자점이 임베디드(embedded)된 구조를 가질 수 있는데, 상기 절연 매트릭스는 폴리메탈테타크릴레이트(PMMA)와 같은 폴리머, 마그네슘 아세테이트(Mg(OOCCH3)2) 및 졸-겔 전구체 산화물(oxide sol-gel precursor)과 같은 무기물 전구체로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나, 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.
이러한 구현예의 교류 구동형 양자점 전계발광소자는 특별히 제한되지는 않으나 일례로 다음과 같은 방법으로 제조할 수 있다.
절연 매트릭스로 폴리메탈메타크릴레이트 등과 같은 폴리머를 CdSe/ZnS 등과 같은 반도체 나노결정과 섞어서 스핀 코팅하거나, 마그네슘 아세테이트(Mg(OOCCH3)2) 등과 같은 무기물 전구체를 CdSe/ZnS 등과 같은 반도체 나노결정과 섞어서 스핀 코팅한 후, 어닐링하여 양자점이 절연 매트릭스 내에 임베디드(embedded)된 구조를 갖도록 양자점 발광층(30)을 형성하여 제조할 수도 있다.
본 발명에 의한 교류 구동형 양자점 전계발광소자는 효율적인 전자 주입과 전면 발광이 이루어짐으로써 디스플레이 장치, 조명 장치, 백라이트 유닛 및 면발광 소자 등과 같은 전자소자에 유용하게 적용될 수 있다.
본 발명에 의한 교류 구동형 양자점 전계발광소자는 양자점 발광층과 전극 사이에 터널링층, 바이폴라층, 유전체층 및 절연층 중 하나의 층 또는 이들의 임의의 복합층을 포함하는 구조로서, 전자 및 정공을 효과적으로 양자점 발광층으로 주입시킬 수 있으며, 일단 주입된 전자 및 정공들이 다시 전극 쪽으로 역이동(back-transport)되지 않도록 할 뿐 아니라, 발광층에서 형성된 엑시톤들의 퀀칭(quenching) 현상을 방지함으로써 발광 효율을 증대시킬 수 있다. 또한, 발광층의 재료로 양자점을 사용함으로써 발광효율 및 색순도 면에서 우수할 뿐 아니라, 교류 구동으로 인해 소자의 구조가 간단해져 제작이 용이하며, 터널링층이나 바이폴라층이 박막으로 구성되는 바 소자의 구동 전압을 줄일 수 있어 전체적으로 전력 효율의 증대를 가져올 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 교류 구동형 양자점 전계발광소자는 효율적인 전자 주입과 전면 발광이 이루어짐으로써 디스플레이 장치, 조명 장치, 백라이트 유닛 및 면발광 소자 등과 같은 전자소자에 유용하게 적용될 수 있다.

Claims (27)

  1. 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 양자점 발광층을 포함하는 교류 구동형 양자점 전계발광소자에 있어서, 상기 제 1 전극과 양자점 발광층 사이 및/또는 제 2 전극과 양자점 발광층 사이에 터널링층, 바이폴라층, 유전체층 및 절연층의 임의의 복합층을 포함하고, 상기 절연층은 무기 절연물질 또는 유기 절연물질을 포함하며, 상기 무기 절연물질은 SiC 이고, 상기 유기 절연물질은 아라키딘산(arachidic acid) 및 스테아린산을 포함하는 지방산 단량체이며, 상기 소자가 상기 양자점 발광층과 제 1 전극 사이에 절연층을 포함하고, 양자점 발광층과 제 2 전극 사이에 서로 다른 밴드갭을 갖는 제 1 바이폴라층 및 제 2 바이폴라층을 포함하는데, 여기서 밴드갭이 큰 제 1 바이폴라층은 양자점 발광층과 인접하게 적층되며, 제 1 바이폴라층의 가전자대는 제 2 바이폴라층의 가전자대 보다 작고, 제 1 바이폴라층의 전도대는 제 2 바이폴라층의 전도대 보다 큰 것을 특징으로 하는 교류 구동형 양자점 전계발광소자.
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  12. 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 양자점 발광층을 포함하는 교류 구동형 양자점 전계발광소자에 있어서, 상기 제 1 전극과 양자점 발광층 사이 및/또는 제 2 전극과 양자점 발광층 사이에 터널링층, 바이폴라층, 유전체층 및 절연층의 임의의 복합층을 포함하고, 상기 절연층은 무기 절연물질 또는 유기 절연물질을 포함하며, 상기 무기 절연물질은 SiC 이고, 상기 유기 절연물질은 아라키딘산(arachidic acid) 및 스테아린산을 포함하는 지방산 단량체이며, 상기 소자가 상기 양자점 발광층과 제 1 전극 사이 및 상기 양자점 발광층과 제 2 전극 사이에 서로 다른 밴드갭을 갖는 제 1 바이폴라층(8, 8') 및 제 2 바이폴라층(9, 9')을 포함하는데, 여기서 밴드갭이 큰 제 1 바이폴라층(8, 8')은 양자점 발광층과 인접하게 적층되며, 제 1 바이폴라층의 가전자대는 제 2 바이폴라층의 가전자대 보다 작고, 제 1 바이폴라층의 전도대는 제 2 바이폴라층의 전도대 보다 큰 것을 특징으로 하는 교류 구동형 양자점 전계발광소자.
  13. 제 1 항 또는 12항에 있어서, 상기 양자점 발광층은 절연 매트릭스 내에 양자점이 임베디드(embedded)된 형태로서 존재하는 것을 특징으로 하는 교류 구동형 양자점 전계발광소자.
  14. 제 1 항 또는 12항에 있어서, 상기 제 1 전극 또는 제 2 전극의 소재는 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), FTO, Al, Au, Ag, In, Sn, Mg, Ca, Pt, Ba 및 Ni로 이루어진 군으로부터 선택되는 것임을 특징으로 하는 교류 구동형 양자점 전계발광소자.
  15. 제 1 항 또는 12항에 있어서, 상기 터널링층은 SiO2, MgO, HfO2를 포함하는 무기 절연물질 또는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)를 포함하는 폴리머로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 구동형 양자점 전계발광소자.
  16. 제 1 항 또는 12항에 있어서, 상기 바이폴라층은 구리 프탈로시아닌(copper phthalocyanine)을 포함하는 앰바이폴라 모노머(ambipolar monomer), 폴리아닐린(polyaniline)을 포함하는 폴리머, 무기 필름(inorganic film), p-n 접합(p-n alloy) 및 p-n 혼합 필름(p-n mixed film)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 구동형 양자점 전계발광소자.
  17. 제 1 항 또는 12항에 있어서, 상기 유전체층은 Ta2O5, TiO2, Al2O3 및 Y2O3로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 구동형 양자점 전계발광소자.
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  21. 제 1 항 또는 12항에 있어서, 상기 양자점 발광층은 II-VI족 화합물 반도체 나노결정, III-V족 화합물 반도체 나노결정, IV-VI족 화합물 반도체 나노결정, IV족 화합물 반도체 나노결정 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 양자점을 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 구동형 양자점 전계발광소자.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 II-VI족 화합물 반도체 나노결정은 CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe을 포함하는 이원소 화합물; CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS, ZnSeTe, ZnSTe, CdZnS, CdZnSe, CdZnTe을 포함하는 삼원소 화합물; 및 CdZnSeS, CdZnSeTe, CdZnSTe, CdHgSeS, CdHgSeTe, CdHgSTe, HgZnSeS, HgZnSeTe, HgZnSTe을 포함하는 사원소 화합물로 이루어진 군에서 선택되며,
    상기 III-V족 화합물 반도체 나노결정은 GaN, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb을 포함하는 이원소 화합물; GaNP, GaNAs, GaNSb, GaPAs, GaPSb, InNP, InNAs, InNSb, InPAs, InPSb, GaAlNP을 포함하는 삼원소 화합물; 및 GaAlNAs, GaAlNSb, GaAlPAs, GaAlPSb, GaInNP, GaInNAs, GaInNSb, GaInPAs, GaInPSb, InAlNP, InAlNAs, InAlNSb, InAlPAs, InAlPSb 을 포함하는 사원소 화합물로 이루어진 군에서 선택되고,
    상기 IV-VI족 화합물 반도체 나노결정은 PbS, PbSe, PbTe을 포함하는 이원소 화합물; PbSeS, PbSeTe, PbSTe, SnPbS, SnPbSe, SnPbTe을 포함하는 삼원소 화합물; 및 SnPbSSe, SnPbSeTe, SnPbSTe을 포함하는 사원소 화합물로 이루어진 군에서 선택되며,
    상기 IV족 화합물 반도체 나노결정은 Si, Ge을 포함하는 단일 원소 화합물; SiC, SiGe을 포함하는 이원소 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 교류 구동형 양자점 전계발광소자.
  23. 제 13 항에 있어서, 상기 절연 매트릭스는 폴리메탈테타크릴레이트(PMMA)를 포함하는 폴리머, 마그네슘 아세테이트(Mg(OOCCH3)2) 및 졸-겔 전구체 산화물(oxide sol-gel precursor)을 포함하는 무기물 전구체로 이루어진 군으로부터 선택되는 것임을 특징으로 하는 교류 구동형 양자점 전계발광소자.
  24. 제 1 항 또는 12항에 있어서, 상기 터널링층의 두께는 1 내지 10 nm인 것을 특징으로 하는 교류 구동형 양자점 전계발광소자.
  25. 제 1 항 또는 12항에 있어서, 상기 절연층의 두께는 10 내지 500 nm인 것을 특징으로 하는 교류 구동형 양자점 전계발광소자.
  26. 제 1 항, 제 12항 내지 제 17항, 제 21항 내지 제 25항 중 어느 한 항에 따른 교류 구동형 양자점 전계발광소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자소자.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 전자소자가 디스플레이 소자, 조명 장치, 백라이트 유닛 또는 면발광 소자인 것을 특징으로 하는 전자소자.
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